Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — природная высокомолекулярная органическая молекула, содержащаяся в клетках всех живых организмов и некоторых вирусов, которая хранит, передаёт и реализует наследственную информацию. ДНК относится к классу нуклеиновых кислот и является основным компонентом хромосом клеточного ядра, а также митохондрий и пластид. Молекула ДНК способна к самоудвоению (репликации), что обеспечивает передачу генетического материала от родителей потомству при делении клеток.

История открытия

В 1869 году швейцарский врач Фридрих Мишер выделил из ядер лейкоцитов вещество, которое назвал «нуклеином». В 1889 году Рихард Альтман ввёл термин «нуклеиновая кислота». В 1928 году Фредерик Гриффит в опытах с пневмококками показал существование «трансформирующего принципа», передающего наследственные признаки. В 1944 году Освальд Эйвери, Колин Маклеод и Маклин Маккарти доказали, что этим принципом является именно ДНК.

В 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик на основе рентгеноструктурных данных Розалинд Франклин и Мориса Уилкинса предложили модель двойной спирали ДНК. За это открытие в 1962 году Уотсон, Крик и Уилкинс получили Нобелевскую премию по физиологии или медицине. В 1960-е годы был расшифрован генетический код, а в 2003 году завершён проект «Геном человека».

Химическое строение

Мономером ДНК является нуклеотид, состоящий из трёх компонентов:

• азотистое основание (аденин, гуанин, цитозин или тимин);
• пятиуглеродный сахар дезоксирибоза;
• остаток фосфорной кислоты.

Нуклеотиды соединяются в полинуклеотидную цепь через фосфодиэфирные связи между сахаром одного нуклеотида и фосфатом соседнего. Азотистые основания образуют комплементарные пары: аденин соединяется двумя водородными связями с тимином, а гуанин — тремя связями с цитозином.

Двойная спираль

Молекула ДНК состоит из двух антипараллельных полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в правую спираль. Цепи удерживаются водородными связями между комплементарными основаниями. Скелет спирали образован чередующимися остатками дезоксирибозы и фосфата, а основания направлены внутрь.

Диаметр двойной спирали составляет около 2 нанометров, расстояние между соседними парами оснований — 0,34 нанометра, полный виток содержит 10 пар оснований. Существуют также альтернативные формы ДНК (A-форма, Z-форма), отличающиеся параметрами спирали.

Репликация

Репликация — процесс удвоения молекулы ДНК, происходящий в S-фазе клеточного цикла. Фермент хеликаза расплетает двойную спираль, ДНК-полимераза синтезирует новые цепи на каждой из исходных матриц по принципу комплементарности. Репликация является полуконсервативной: каждая дочерняя молекула содержит одну старую и одну новую цепь. У эукариот репликация начинается одновременно в множестве точек (ориджинов) и идёт в обе стороны.

Генетический код

Последовательность нуклеотидов в ДНК кодирует аминокислотную последовательность белков. Генетический код триплетен: каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами (кодоном). Существует 64 кодона, из которых 61 кодирует аминокислоты, а три являются стоп-кодонами, завершающими синтез белка. Код является вырожденным — большинство аминокислот кодируется несколькими кодонами.

Организация в клетке

У прокариот ДНК представлена кольцевой молекулой, расположенной в цитоплазме. У эукариот ДНК находится в ядре в виде линейных хромосом, упакованных с белками-гистонами в нуклеосомы. Длина ДНК одной клетки человека составляет около двух метров, при этом она упакована в ядро диаметром примерно 10 микрометров.

Помимо ядерной ДНК, у эукариот имеется ДНК митохондрий и хлоропластов, наследующаяся преимущественно по материнской линии. Геном человека содержит около 3,2 миллиарда пар оснований и примерно 20–25 тысяч генов.

Функции

Основные функции ДНК:

• хранение наследственной информации в виде последовательности нуклеотидов;
• передача информации при репликации дочерним клеткам;
• реализация информации через транскрипцию (синтез РНК) и трансляцию (синтез белка);
• обеспечение мутационной изменчивости как основы эволюции.

Методы исследования

Для изучения ДНК применяются полимеразная цепная реакция (ПЦР), секвенирование, электрофорез, гибридизация, рестрикционный анализ. Метод ПЦР позволяет многократно копировать фрагменты ДНК и используется в диагностике инфекционных и наследственных заболеваний, криминалистике и биотехнологии. Секвенирование определяет точную последовательность нуклеотидов.

Практическое применение

ДНК-технологии широко применяются в генной инженерии для создания трансгенных организмов, производства инсулина, интерферона и других лекарственных белков. В судебной медицине ДНК-дактилоскопия используется для идентификации личности. В медицине ДНК-диагностика позволяет выявлять наследственные заболевания, онкологические маркеры и возбудителей инфекций. Генотерапия направлена на исправление дефектных генов.

Интересные факты

• Около 98 % генома человека не кодирует белки и называется некодирующей ДНК.
• ДНК всех людей совпадает на 99,9 %, различия составляют примерно 3 миллиона нуклеотидов.
• ДНК устойчива: образцы из костей возрастом десятки тысяч лет поддаются секвенированию.
• В 2023 году впервые была полностью секвенирована Y-хромосома человека, последний нерасшифрованный участок генома.